水作为地球上最重要的分子之一，在能源催化、大气环境、生命科学等领域发挥着关键作用。水分子通过持续振动、转动和氢键重组，构建出复杂的氢键网络，使得液态水的微观构型难以捕捉，其结构表征长期面临挑战。由于水团簇中的水分子间作用力与液态水相似，对其结构进行表征，不仅有助于揭示常规凝聚相实验难以获得的氢键网络结构基元，还可为开发高精确水势函数和通用水模型提供核心基准。然而，中性物种因缺乏电荷而难以探测和质量选择，导致中性水团簇的精密光谱研究长期受限于尺寸选择的技术瓶颈。
为实现中性水团簇的精准探测与结构解析，江凌与李刚研究团队自主开发了基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验方法，实现了质量选择的中性水团簇的高灵敏红外光谱探测(J. Phys. Chem. Lett.，2020)。基于该方法，团队已实现了水二聚体到十聚体(H2O)n(n = 2–10)的红外光谱研究(Proc. Natl. Acad. Sci.，2020; Nat. Commun.，2020; Cell Rep. Phys. Sci.，2022; J. Chem. Phys.，2023;J. Phys. Chem. Lett.，2024)，发现了一系列新奇结构：确定了五个水分子构成的最小水滴立体结构，揭示了水六聚体的“3+3”、水八聚体的“4+4”、水十聚体的“5+5”结构模型。这些结果表明，小尺寸水环的堆积模式在水的氢键网络构建中起着至关重要的作用。
在本工作中，江凌和李刚团队利用基于大连相干光源的中性团簇实验站，测定了中性水分子十一聚体团簇((H2O)11)的红外光谱，并结合李隽团队的高精度量子化学计算结果，确定了其三种最低能量结构模型(515、43′4和55′1)，分别对应“5+1+5”“4+3+4”和“5+5+1”的水团簇组合模式，其中515结构占主导地位。进一步，团队通过热力学计算分析，揭示了从水分子十聚体形成上述三种结构的团簇生长机制。该研究不仅为理解水的氢键网络演化机制提供了实验与理论依据，也为进一步开展中性水合团簇的尺寸依赖性研究奠定了基础，有望推动微液滴化学、盐溶解和酸解离等逐步反应机制的深入探索。
相关研究成果以“Experimental determination of structural motifs of interference-free water undecamer cluster (H2O)11”为题，发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。该工作的共同第一作者是中国科学院大连化学物理研究所2506组博士研究生王天通和中国科学院赣江创新研究院副研究员张阳阳。该工作得到科技部科技创新2030-重大项目、国家自然科学基金委“动态化学前沿研究”基础科学中心项目、国家自然科学基金、中国科学院B类先导专项“基于极紫外光源的化学反应过渡态精准探测”等项目的资助。(文/图 王天通)
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66717-5
